Установка для переработки отходов слюдопластового производства (стр. 13 из 21)
где μi - молярная масса компонентов газа.
Плотность воздуха:
ρв = (P∙μв)/[R∙( t1 + 273)],(3.5.1.2.24)
ρв = (101325∙28,8)/[8314∙(330 + 273)] = 0, 582 кг/м3. (3.5.1.2.25)
Плотность азота:
ρ N2 = (P∙μ N2)/[R∙( t1 + 273)],(3.5.1.2.26)
ρ N2 = (101325∙28)/[8314∙(330 + 273)] = 0, 566 кг/м3. (3.5.1.2.27)
Плотность сухих трехатомных газов:
ρ RO2 = (P∙μ RO2)/[R∙( t1 + 273)],(3.5.1.2.28)
ρ RO2 = (101325∙44)/[8314∙(330 + 273)] = 0, 889 кг/м3. (3.5.1.2.29)
Плотность сухих дымовых газов:
ρ с.г. = (∑ρi∙Vi)/Vс.г.,(3.5.1.2.30)
ρ с.г. = [(0, 889∙1,0) + (0, 566∙7,5) + (3.5.1.2.31)
+ (0, 582∙(8, 84 - 1)∙ 9,5)]/82, 98 = 0, 584 кг/м3.
Плотность водяных паров:
ρ H2O = (P∙μ H2O)/[R∙( t1 + 273)], (3.5.1.2.32)
ρ H2O = (101325∙18)/[8314∙(330 + 273)] = 0, 364 кг/м3. (3.5.1.2.33)
Влагосодержание теплоносителя на входе в сушильную камеру при заданной температуре t1 определяем из выражения:
x1 = (VH2O/Vс.г.)∙( ρ H2O/ρ с.г.),(3.5.1.2.34)
где VH2O - действительный объем водяных паров при избытке воздуха, равный 3,2 м3/м3,
Vс.г. - объем сухих дымовых газов, равный 82,98 м3/м3 (3.5.1.2.22).
x1 = (3,2 / 82, 98)∙( 0, 364 / 0, 584) = 0, 024 кг/кг. (3.5.1.2.35)
По h-x диаграмме влажного воздуха (рисунок 3.5.1.2.1) при известных температуре t1, равной 330°, и влагосодержании x1, равному 0, 024, определяем энтальпию газов перед сушильной установкой: h1 = 400 кДж/кг.
Рисунок 3.5.1.2.1. Нахождение энтальпии по h-x диаграмме влажного воздуха
3.5.2 Тепловой и материальный баланс процесса сушки
При известной производительности по сухому продукту G2, равной 143 кг/ч, и конечной влажности по сухому продукту U2, равной 1 %, количество испаренной влаги определяют как:
W = G2∙[(U1-U2)/(100-U1)],(3.5.2.1)
где U1 - начальная влажность слюды, влажность после процесса центрифугирования, равная 30 %.
W = (143/3600)∙[(30 - 1)/(100-30)] =(3.5.2.2)
= 0,0164 кг/с.
Расход исходного материала:
G1 = G2 + W,(3.5.2.3)
G1 = (143/3600) + 0, 0164 = 0,056 кг/с. (3.5.2.4)
Конечное влагосодержание для теоретической установки находим по h-x диаграмме влажного воздуха (рисунок 3.5.2.1). Необходимо построить процесс сушки. Построение производится по расчетным параметрам наружного воздуха φ0 и t0, состояния сушильного агента перед камерой x1 и t1 и его температуры на выходе из сушильной установки t2.
Точка 0 на рисунке 3 соответствует состоянию воздуха, поступающего в топку. Условно процесс в топке и камере смешения изображается прямой 0-1. Точка 1 определяется по температуре t1 и рассчитанному влагосодержанию х1. От точки 1 проводим линию h = const до изотермы t2 и определяем конечное влагосодержание х'2 для идеальной (без теплопотерь) сушильной установки. х'2 = 0, 115 кг/кг .
Расход теплоносителя на испарение 1 кг влаги в теоретической сушилке:
ℓ1 = 1 / (х'2 - х1),(3.5.2.5)
ℓ1= 1 / (0, 115 - 0, 024) = 10, 99 кг/кг влаги.(3.5.2.6)
Расход теплоты на испарение 1 кг влаги в теоретической сушилке:
q1 = ℓ1 (h1 – h0),(3.5.2.7)
где h1 - энтальпия газов перед сушильной установкой, равная 400 кДж/кг, h0 - начальная энтальпия воздуха, равная 38 кДж/кг.
q1 = 10, 99 (400 - 38) = 3978 кДж/кг влаги.(3.5.2.8)
Рисунок 3.5.2.1. Нахождение х'2 и x2 по h-x диаграмме влажного воздуха
Количество теплоты, необходимое для испарения 1 кг влаги и подогрева продукта от начальной до конечной температуры qм с учетом теплопотерь в окружающую среду q5 определяется из уравнения теплового баланса:
q = ℓ1 (h1 – h0) + q5 + qм – t0∙CH2O, кДж/кг влаги, (3.5.2.9)
где ℓ1(h1 – h0) - расход теплоты для теоретической сушилки;
qм - расход теплоты на нагрев материала;
q5 - потери теплоты в окружающую среду;
t0∙CH2O - физическая теплота влаги, вводимая с материалом, подлежащим сушке.
Тогда отклонение процесса в реальной сушильной установке от идеальной может быть определено:
∆ = t0∙CH2O - q5 - qм , кДж/кг влаги. (3.5.2.10)
Потери теплоты в окружающую среду:
q5 = 0,1 q1, (3.5.2.11)
q5 = 0,1∙3978 = 398 кДж/кг.(3.5.2.12)
Потери теплоты на нагрев материала:
qм = (G2∙сс/W)∙( t2 - tс ), (3.5.2.13)
где cс - теплоемкость сухой слюды, равная 0, 88 кДж/кг,
tс - начальная температура слюды, равная 20°С;
qм = ((143/3600)∙ 0,88 / 0,0164)∙(100 - 20) = (3.5.2.14)
= 170 кДж/кг.
Тогда отклонение процесса от теоретического по (3.5.2.10):
∆ = (1,49+0,00016∙20)∙20 - 398 - 170 = (3.5.2.15)
= 538 кДж/кг.
Переходим к построению реального процесса сушки (рисунок 3.5.2.1). Для этого из точки 2 на рисунке 3.5.2.1 откладываем отрезок вниз, равный ∆/ℓ1 = 49 кДж/кг (точка 3). Из полученной точки проводится прямая 1-3. Конечная точка действительного процесса определяется пересечением данной политропы с изотермой t2. Далее определяем энтальпию газов на выходе из сушильной установки и истинное значение влагосодержания x2: x2 = 0,095 кг/кг.
Расход теплоносителя на испарение 1 кг влаги в реальной сушильной установке:
ℓ = /(х2 - х1),(3.5.2.16)
где х1 - влагосодержание теплоносителя на входе в сушильную камеру при заданной температуре t1 = 330° С, равное 0, 024 кг/кг.
ℓ= 1/(0,095 - 0,024) = 14,08 кг/кг влаги.(3.5.2.17)
Массовый расход свежего теплоносителя:
L = ℓ∙W,(3.5.2.18)
L = 14,08∙0,0164 = 0,23 кг/с.(3.5.2.19)
Тогда расход теплоты на сушку:
Q = L(h1 – h0), (3.5.2.20)
Q = 0,23∙(400 - 38) = 83,3 кВт.(3.5.2.21)
Расход топлива при сушке дымовыми газами с учетом потерь теплоты в камере сгорания:
В = Q / Qcн∙1, 05 ,(3.5.2.22)
B = (83,3 / 35742,31)∙1,05 = 8,64 м3/ч. (3.5.2.23)
3.5.3 Тепловой конструктивный расчет
Тепловой конструктивный расчет проводится для определения основных габаритных размеров аппарата.
Поскольку теплообмен между газом и частицами в кипящем слое заканчивается на высоте равной двум-трем диаметрам частиц слюды, то расчет скорости псевдоожижения проводим при температуре, равной температуре кипящего слоя. При этом средняя плотность газов в слое:
ρг = ρс.г. ((t1 + 273)/(t2 + 273)),(3.5.3.1)
ρг = 0,584 ((330 + 273)/(100 + 273)) = 0,944 кг/м3. (3.5.3.2)
Находим по таблице 3.5.3.1 кинематический коэффициент вязкости газа: υг = 23,9∙10-6 м2/с.
Таблица 3.5.3.1 Зависимость кинематического коэффициента вязкости газа от его температуры при давлении, близком к атмосферному
| tг, °C | 100 | 120 | 140 | 160 | 180 | 200 | 250 | 300 | 350 |
| υг∙10-6, м2/с | 23,9 | 26,2 | 28,7 | 31,0 | 33,5 | 36,0 | 42,8 | 49,9 | 57,3 |
Определим критерий Архимеда для частицы:
Ar = [(g∙d3)/υг2] ∙ [(ρс - ρг)/ρг] , (3.5.3.3)
где d - средний размер частиц слоя, равный 0,3 мм;
ρс - плотность слюды флогопит, равная 2700 кг/м3.
Ar = [(9,81∙0,33∙10-9)/2,392 ∙ 10-10]*[(2700 - 0,944)/0,944] = 1326.(3.5.3.4)
Определяем критерий Рейнольдса, соответствующий началу ожижения слоя:
Reкр= (Ar∙ε04,75)/(18 + 0,61∙(Ar∙ε04,75)0,5), (3.5.3.5)
где ε0 - порозность насыпного слоя, равная 0,6.
Reкр= (1326∙0,64,75)/(18 + 0,61∙(1326∙0,64,75)0,5) = 4,76. (3.5.3.6)
Тогда скорость ожижения равна:
ωкр= Reкр ∙( υг/d), (3.5.3.7)
ωкр= 4,76∙(23,9 ∙ 10-6/0,3∙10-3) = 0,37 м/с. (3.5.3.8)
Принимаем значение порозности в рабочих условиях ε = 0,8.
Определяем критерий Рейнольдса в рабочих условиях:
Reр= (1326∙0,84,75)/(18 + 0,61∙(1326∙0,84,75)0,5) = 14,76. (3.5.3.9)
Рабочая скорость подачи газа:
ωр = Reр∙( υг/d), (3.5.3.10)
ωр = 14,76(23,9 ∙ 10-6/0,3∙10-3) = 1,17 м/с. (3.5.3.11)
Число псевдоожижения в рабочих условиях:
Wр = ωр/ωкр, (3.5.3.12)
Wр = 1,17/0,37 = 3,16. (3.5.3.13)
Среднее влагосодержание газа:
xг = (x1 + x2)/2, (3.5.3.14)
где x1 - влагосодержание теплоносителя на входе в сушильную камеру при заданной температуре t1 = 330° С, равное 0, 024 кг/кг;
x2 - истинное значение влагосодержания, равное 0,095 кг/кг.
xг = (0, 024 + 0,095)/2 = 0,06 кг/кг. (3.5.3.15)
Определим площадь газораспределительной решетки:
S = (L∙(1 + xг))/( ρг∙ ωр), (3.5.3.16)
где L - массовый расход свежего теплоносителя, равный 0, 23 кг/с
S = (0, 23∙(1 + 0,06))/(0,944∙1,17) = 0,22 м2.(3.5.3.17)
Из условия устойчивого псевдоожижения принимаем высоту насыпного слоя H0 = 0,3 м. Тогда масса сухого продукта, находящегося на решетке:
Gс = ρс∙(1-ε0)∙S∙ H0,(3.5.3.18)
Gс = 2700∙(1 - 0,6)∙0,22∙0,3 = 71,3 кг.(3.5.3.19)
Тогда время пребывания частиц в кипящем слое, необходимое для полного протекания процесса сушки:
τ = Gс/G2,(3.5.3.20)
где G2 - производительность по сухому продукту, равная 143 кг/ч.
τ = 71,3/(143/3600) = 1795 с. (3.5.3.21)
Определяем высоту кипящего слоя в рабочих условиях:
H = H0∙((1 - ε0)/(1 - ε)),(3.5.3.22)
H = 0,3∙((1 – 0,6)/(1 – 0,7)) = 0,4 м.(3.5.3.23)
Тогда высота сепарационной зоны аппарата:
Hсеп = 4∙Н,(3.5.3.24)
Hсеп = 4∙0,4 = 1,6 м.(3.5.3.25)
Определяем конструктивную высоту аппарата от газораспределительной решетки до газохода:
Hа = Hсеп + Н,(3.5.3.26)
Hа = 1,6 + 0,4 = 2 м.(3.5.3.27)
Диаметр аппарата:
D1 = ((4∙S)/π)0,5, (3.5.3.28)
D1 = ((4∙0,22)/3,14)0,5 = 0,53 м.(3.5.3.29)